(57)【要約】【課題】電子回路の構成部品によって放射される電磁界を最適に測定する。【解決手段】例えば、３相インバータ８からなる電子回路とは独立して電気エネルギを測定する測定ユニット８２と、電子機器１０〜１４が放射する電磁界を測定ユニットが測定可能な電気エネルギに変換する変換器８０とを備えている。変換器８０は、電磁界を測定すべき電子機器のスイッチ１６、１８に近接して配置され、電子回路の基板上にエッチングにより構成されているコイルであり、該コイルに電磁界の変化により流れる電流を測定ユニット８２が測定することにより、各構成部品の電磁界を高精度で測定することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子回路の誘電体基板に固定されている電気構成部品が放射する電磁界を測定する測定システムにおいて、
前記電子回路とは独立して電気エネルギを測定する測定ユニット（８２）と、
前記測定ユニットに接続され、前記電気構成部品が放射する電磁界を、前記測定ユニットが測定する電気エネルギに変換するように構成されている変換器（９０〜９５）と、
を備えており、
前記変換器が、前記電子回路の前記誘電体基板上にエッチングして構成されている
ことを特徴とする測定システム。
【請求項２】
請求項１記載の測定システムにおいて、前記変換器（９０〜９５）は、コイルを含み、前記測定ユニットは、前記コイル内の電流を測定するように構成されていることを特徴とする測定システム。
【請求項３】
請求項２記載の測定システムにおいて、前記コイルは、前記誘電体基板上にエッチングされたループ状トラック（１００）で形成されており、その両端が、前記コイルを前記測定ユニットに接続するための部分を形成することを特徴とする測定システム。
【請求項４】
請求項２又は請求項３記載の測定システムにおいて、前記コイルの巻数が１回だけであることを特徴とする測定システム。
【請求項５】
請求項１〜４いずれかに記載の測定システムにおいて、放射電界を測定すべき前記電子構成部品が、第１及び第２電流切り替えチップを並列に接続するトラックである電子回路である場合、前記第１切換チップによって切り替えられる電流が発生する電磁界の方に、前記第２切換チップによって切り替えられる電流が発生する電磁界よりも多く晒されるように選択した前記誘電体基板上の位置に、前記変換器（９０〜９５）をエッチングすることを特徴とする測定システム。
【請求項６】
電子回路において、
誘電体基板（６０）と、
前記誘電体基板に固定され、その電磁放射を測定する電子構成部品（２６〜２９）と、
請求項１〜５いずれかに記載の測定システムの変換器（９０〜９５）と、
を含み、前記電子構成部品によって放射される電磁界を測定することを特徴とする電子回路。
【請求項７】
請求項６記載の電子回路において、前記電気構成部品は、前記基板の一方の面上にエッチングされたトラック（６４）であり、前記測定システムの変換器を、前記トラックに沿って前記誘電体基板の同一面上にエッチングしていることを特徴とする電子回路。
【請求項８】
請求項６記載の電子回路において、前記電気構成部品は、前記誘電体基板の一方の面上にエッチングされたトラック（６４）であって、前記測定システムの変換器を、前記誘電体基板の逆側の面上にエッチングしたことを特徴とする電子回路。
【請求項９】
請求項７又は請求項８記載の電子回路において、該回路は、電力スイッチ・モジュールであって、前記トラックによって並列に接続されている第１切換チップと第２切換チップ（２６〜２９）とを含み、前記トラックの電磁放射線を測定することを特徴とする電子回路。
【請求項１０】
請求項９記載の電子回路において、該回路は、前記第１切換チップによって切り替えられる電流が発生する電磁界の方に、前記第２切換チップによって切り替えられる電流が発生する電磁界よりも多く晒されるように選択された誘電体基板上の位置にエッチングした前記変換器（９０〜９５）を含むことを特徴とする電子回路。
【請求項１１】
電力切換システムにおいて、
第１及び第２切換チップ（２８、２９）と、前記第１及び第２切換チップを並列に接続するトラック（６４）がエッチングされている誘電体基板（６０）とを含む電力スイッチ・モジュール（２０）と、
前記電力スイッチ・モジュールの動作を制御する制御ユニット（４）と、
請求項５記載の測定システムであって、前記第１切換チップ（２８）によって切り替えられる電流が発生する電磁界の方に、前記第２切換チップ（２９）によって切り替えられる電流が発生する電磁界よりも多く晒される、前記電力スイッチ・モジュールの誘電体基板上の位置に、エッチングされた変換器（９０）が設けられた測定システム（６）と、
を含み、
前記制御ユニットは、前記測定システムによって行われる測定の関数として、前記第１及び第２切換チップの少なくとも一方の動作を制御するように構成されている
ことを特徴とする電力切換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁界の測定システムに関し、さらに、この測定システムを用いた制御システム、及びこの測定システム用に設計した電子回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子回路の電気構成部品によって放射される電磁界を測定する従来技術のシステムは、
−電子回路とは独立して電気エネルギを測定するユニットと、
−測定ユニットに接続され、電気構成部品によって放射される電磁界を、測定ユニットによって測定された電気エネルギに変換するように構成されている変換器と
を備えている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来技術の電磁界の測定システムでは、変換器は、電子回路とは独立しており、電磁放射線を測定すべき電子回路上の近傍に配置しなければならない。しかしながら、従来技術の測定システムを用いて行われる測定の空間分解能は、とりわけ、電子回路に対する変換器の不正確な位置決めのために、完全と言うには程遠かった。
本発明は、空間分解能を向上させて、電子回路によって放射される電磁界を測定するシステムを提案することによって、従来例の問題点を解消することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記した目的を達成するために、本発明の電磁界測定システムは、変換器を電子回路の基板上にエッチングして構成したことを特徴としている。
変換器が電子回路の基板上にエッチングされているので、電子回路自体の中で精度高く位置決めされる。電子回路に対する変換器の不完全な位置決めによって生ずる不正確さの問題を解決することができる。
本発明の測定システムの実施形態では、以下の特徴の１つ以上を有することができる。
−変換器は、コイルを含み、測定ユニットは、コイル内の電流を測定するように構成されている。
−コイルは、基板上にエッチングされたループ状トラックで形成されており、その両端が、コイルを測定ユニットに接続するためのランドを形成する。
−コイルの巻き数が１回だけである。
−電子回路において、放射電界を測定すべき電子構成部品が、第１及び第２電流切り替えチップを並列に接続するトラックである場合、第１切換チップによって切り替えられる電流が発生する電磁界の方に、第２切換チップによって切り替えられる電流が発生する電磁界よりも多く晒されるように選択した基板上の位置に、変換器をエッチングする。
【０００５】
また、本発明は、電子回路を提供し、該電子回路は、
誘電体基板と、
誘電体基板に固定され、その電磁放射線を測定する電子構成部品と、
誘電体基板上にエッチングされ、電子構成部品によって放射される電磁界を測定する、本発明による測定システムの変換器と
を含むことを特徴とする。
前述の電子回路の実施形態では、以下の特徴の１つ以上を有することができる。
−電気構成部品は、基板の一方の表面上にエッチングされたトラックであり、測定システムの変換器を、トラックに沿って基板の同一面上にエッチングする。
−電気構成部品は、基板の一方の面上にエッチングされたトラックであって、測定システムの変換器は、基板の逆側の面上にエッチングされている。
−電気回路は、電力スイッチ・モジュールであって、トラックによって並列に接続されている第１切換チップと第２切換チップとを含み、トラックの電磁放射線を測定する。
−第１切換チップによって切り替えられる電流が発生する電磁界の方に、第２切換チップによって切り替えられる電流が発生する電磁界よりも多く晒されるように選択した基板上の位置に、第１変換器をエッチングする。
【０００６】
本発明は、更に、電力切換システムも提供し、該システムは、
第１切換チップと、第２切換チップと、第１及び第２切換チップを並列に接続するトラックがエッチングされている誘電体基板とを含む電力スイッチ・モジュールと、
電力スイッチ・モジュールの動作を制御する制御ユニットと、
本発明による測定システムと
を含み、電力スイッチ・モジュールの基板上において、第１切換チップによって切り替えられる電流が発生する電磁界の方に、第２切換チップによって切り替えられる電流が発生する電磁界よりも多く晒される位置にエッチング変換器が設けられており、かつ、制御ユニットは、測定システムによって行われる測定の関数として、第１及び第２切換チップの少なくとも一方の動作を制御するように構成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、制御ユニット４と連動する電力スイッチを備えている電力変換システム２を表している。該システム２は、スイッチによって切り替えられる電流によって発生する電磁界を測定する測定システム６も含む。
ここでは、スイッチが三相インバータ８を形成し、列車の牽引モータのような、回転電機機器９に電力を供給するという状況において、システム２について説明する。
インバータ８の回路は、汎用のものである。３つの同様な電気機器（ステージ）１０、１２及び１４の各々は、２つの同一の電力スイッチ１６及び１８を備えている。ここでは、各電力スイッチは、数千アンペアの電流を切り替え、数千ボルトの電位差に耐えることができるように構成されている。
このために、各電力スイッチは、並列に接続された複数のスイッチ・モジュールで構成されている。
【０００８】
図２は、４つの同一構成のスイッチ・モジュール２０〜２３で形成した電力スイッチの一例を表す。ただし、スイッチ・モジュール２０のみを詳細に表している。
例えば、各スイッチ・モジュールは、並列に接続された４つのチップ２６〜２９と、これらのチップと逆並列に接続された２つのダイオード３２、３３とを備えている。各チップは、スイッチング・トランジスタとして機能し、ゲート電極と、コレクタ電極と、エミッタ電極とを有する。
【０００９】
各チップは、例えば、３０００ボルトの電圧及び１５０アンペアの最大公称電流に耐えることができる。このために、各チップは、並列及び／又は直列に接続された絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）のマトリクスを備えている。各ＩＧＢＴのゲートは、チップのゲート電極に接続されており、ＩＧＢＴ全てが、性能を向上した単一のトランジスタのように機能するようになっている。ＩＧＢＴを並列に接続することによって、それを構成するトランジスタの各々が耐えることができる電流よりもはるかに大きな電流を切り替えることができるチップが得られる。
チップ２６〜２９の各々のゲート電極は、それぞれの抵抗器３６〜３９を介して、ゲート・ピンに接続されている。
【００１０】
図３は、スイッチ・モジュール２０の分解斜視図であり、スイッチ・モジュール２０は、誘電体材料のような電気絶縁材料で形成されているほぼ矩形の基板５０を含み、該基板は、水平に配置されており、その外面が下方を向き、逆側の内面は上方を向いている。
外面は、金属の薄い層５１によって均一に被覆され、電磁遮蔽を形成する。
チップ２６〜２９のコレクタ電極をコレクタ・ピン５４に接続するトラック５２が、基板５０の内面上にエッチングされている。これらのコレクタ・ピン５４は、トラック５２に溶接され、基板５０の後ろ側の短い辺から外側に突出している。
各チップは、対向する２つの平面を有する。図３では、各チップの下側面はコレクタ電極を支持し、上側面はゲート電極及びエミッタ電極を支持している。
チップ２６〜２９の各々のコレクタ電極、ならびにダイオード３２及び３３のカソードは、トラック５２に半田付けされている。電気的接続を行うことに加えて、半田付けによって、コレクタ電極と基板５０との間に熱的接続も得られる。
【００１１】
また、スイッチ・モジュール２０は、誘電体材料のような、電気絶縁材料で形成された矩形の上側基板６０も有する。この基板６０は、２つの対向する平坦面を有し、その一方は、基板５０に面する内面である。トラック６２、６４が、この基板６０の内面にエッチングされている。トラック６２は、チップ２６〜２９のゲート電極を、抵抗３６〜３９を介して、ゲート・ピン６６に接続する。トラック６４は、チップ２６〜２９のエミッタ電極をエミッタ・ピン６８に接続し、大きな表面積を有して熱の外部への排出を促進し、例えば、チップの効率的な冷却を行う。
ゲート及びエミッタ・ピン６６、６８は、基板５０に固定されている。
基板６０は、基板５０と反対側の外面を有し、その上に金属７０の薄い層が被膜され、電磁遮蔽を形成している。
【００１２】
インバータ８のスイッチ１６及び１８によって切り替えられる電流によって発生する電磁界を測定するシステム６は、スイッチ１６及び１８の各々に関連する１組の変換器８０を含む（図１参照）。この１組の変換器８０の各々は、電磁界を電流又は電圧に変換するように構成されている。
また、本システムは、１組の変換器８０の各々が発生する電流又は電圧を測定するユニット８２も含む。
【００１３】
制御ユニット４は、システム６に接続されており、システム６が行う測定の関数として、スイッチ１６及び１８の動作を制御する。即ち、ユニット４は、各チップの切り替え速度の関数として、スイッチ１６及び１８を形成するスイッチ・モジュールの各々の切り替え速度を制御するように構成されており、切り替え速度は、システム６によって行われる測定から導き出す。
【００１４】
図４は、基板６０の外面の平面図である。トラック６０及び６２、ダイオード３２及び３３、並びにチップ２６〜２９の位置は、この図では破線で表されている。
この実施形態では、１組の変換器８０は、薄い金属層７０内にエッチングされている。６つの同一構成の変換器９０〜９５の各々は、変動する磁界を電流に変換するように構成されたコイルである。
【００１５】
変換器９０のみについて詳細に説明する。変換器９０は、表面１０２周囲にループを形成するトラック１００を含み、表面１０２から導電性部分が除去されている。このループ１００の終端部は広げられており、ループ１００をユニット８２に接続するための接続ランド１０４及び１０５を形成している。これらの接続ランド１０４及び１０５は、薄い金属層７０の周囲に形成され、これらがユニット８２に容易に接続できるようにしている。各変換器は、例えば、接続ランドへの一端に溶接されたワイヤによって、ユニット８２に接続されている。
【００１６】
表面１０２は、円を形成し、その半径は５ミリメートル程度である。ループ１００は、導電性部分が除去された幅１ミリメートル程度の帯状体１０８によって、薄い金属層７０から電気的に分離されている。トラック１００の幅は、約１ミリメートルである。
各変換器９０〜９５の位置及び寸法は、スイッチ・モジュール２０における個々の場所において電磁界を測定するように選択されている。本例では、各変換器９０〜９５は、それぞれのチップによって切り替えられる電流によって形成される磁界を測定するように配置されている。これについては、以下で更に詳しく説明する。
【００１７】
これより、システム２の動作について説明する。
制御ユニット４は、インバータ８のスイッチ１６及び１８の各々の各チップに、オフ状態からオン状態に、又はその逆に切り替わるように命令する。この切り替えにより、トラック６４における電流が変化され、この変化が、トラック６４によって放射される磁界を変動させる。この放射磁界の変動によって、各変換器の表面１０２を交差する磁束が変動する。表面１０２を交差する磁束のこの変動によって、ユニット８２に接続されているトラック１００内に電流が発生し、ユニット８２がその電流を測定する。測定した電流から、ユニット８２は、チップによって切り替えられる電流に関する情報を導き出す。例えば、ユニット８２は、切り替えられる電流の切り替え時間及び変動率ｄｉ／ｄｔを判定し、この情報を制御ユニット４に送る。制御ユニット４は、例えば、この情報の関数として、切り替え速度を上昇又は低下するように、チップに命令する。
【００１８】
更に正確には、例えば、製造許容度のために、チップ２６〜２９は全く同じ技術的特性を有している訳ではなく、動作は多少異なる。例えば、これらのチップの切り替え時間は多少異なる可能性がある。これらの相違、及びトラック６４の広い面積のために、切り替えられる電流の密度は、トラック６４の表面全域にわたって均一とはならない。本発明は、この非均一な電流密度を、異なる特性又は異なる動作と関連付けて利用し、チップの各々の動作に関する情報を得る。
【００１９】
これが可能なのは、各変換器が本質的に、表面１０２に面するトラック６４の区域内で切り替えられる電流の密度によって形成される磁界に感応するからである。電流密度が単一のチップによって切り替えられる電流を表すトラック６４の表面に対向して変換器を配置することによって、この変換器は、トラック６４に接続されているチップの全てではなく、そのチップのみによって切り替えられる電流を測定する。ユニット８２は、この変換器が生成した信号を処理し、これらから、この特定のチップの動作に関する情報、例えば、切り替え（開放及び／又は閉鎖）時間を導き出す。ここで、ユニット８２はこの切り替え時間を制御ユニット４に通知し、次いで制御ユニット４は、この情報を用いてチップを制御する。
【００２０】
この切り替え時間情報によって、チップの故障を予測することが可能となる。この例では、制御ユニット４は、故障したチップが爆発する前に、スイッチ・モジュールに安全状態に移行することを命令するようにも構成される。
更に、スイッチ・モジュール２０を形成する１組のチップの個々のチップの動作に関する情報を得るために、表面１０２のサイズは、トラック６４の全幅の一部のみを覆うように選択する。更に、表面１０２のサイズは、表面１０２のサイズが減少するのに伴って増大する変換器の空間分解能と、表面１０２のサイズが減少するのに伴って低下するその感度との間で、相応しい折衷案を示すように選択する。
【００２１】
本発明に係るシステム６には多くの利点がある。即ち、電磁放射線を測定すべきトラックに対する変換器の不正確な位置決めによって生ずる測定誤差は、変換器がトラックと同じ基板内にエッチングされているために、回避される。電磁遮蔽を形成する薄い金属層内に変換器をエッチングすることによって、スイッチ・モジュールに電磁遮蔽が設けられていても、スイッチ・モジュール内側の電磁界の測定が可能となる。
【００２２】
変換器９０〜９５について、電磁放射線を測定すべきトラックが形成されている面と対向する側の基板の面にエッチングされているという状態を説明した。この種の構成では、変換器は、基板の「アクティブ」面、即ち、スイッチ・モジュールのトラックを担持する面上の空間を全く占有しない。しかしながら、これに対する代替案として、電磁放射線を測定すべきトラックに沿って、そしてトラックと同じ基板の面上に変換器をエッチングしてもよい。この構成によれば、変換器の感度を高めるという利点がある。何故なら、トラックが発生する磁束に、より良く晒されるからである。
【００２３】
変換器については、トラック１００によって形成される単一巻き数から成るコイルの形態を取るという状態を説明した。感度を高めるためには、単一の巻き数の代わりに、多数の巻き数を有するコイルをスイッチ・モジュールの基板上にエッチングしてもよい。
また、変換器は、半径が５ミリメートルの円形面１０２を規定するトラックを構成することを説明した。空間分解能を高めるためには、その半径を短縮することもできる。また、表面１０２の半径を延長して、変換器の感度を高めることもできる。
【００２４】
システム６は、トラックの電磁放射線だけでなく、電子回路の基板に固定されているその他の電気構成部品の電磁放射線も測定することができる。例えば、システム６は、電気リレー、トランジスタ、又はマイクロコントローラのような、基板に保持した電気構成部品の電磁界を測定するように構成することもできる。
最後に、電力スイッチ・モジュールのトラックが発生する磁界の測定にシステム６を適用するという状況に関連して、システム６を説明した。しかしながら、本特許の教示はこの種のスイッチ・モジュールに限定されるのではなく、変換器、及び好ましくは変換器を形成する電気コイルを表面上にエッチングすることができる基板を含む、あらゆる種類の電子回路に適用することができる。例えば、システム６は、基板に半田付けされたアナログ又はディジタル電子構成部品を有する電子カード、又は集積回路にも適用することができる。集積回路の場合、変換器の寸法は、例えば、数マイクロメートル程度となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】複数のスイッチを備えた電力切換システムの図である。
【図２】図１に示したシステムにおけるスイッチの部分説明図である。
【図３】図２に示したスイッチの１つにおいて用いられるスイッチ・モジュールの分解図である。
【図４】図３のスイッチ・モジュールの平面図である。
【符号の説明】
【００２６】
２    電力切換システム
４    制御ユニット
６    測定システム
８    三相インバータ
９    回転電機機器
１０、１２、１４    電気機器
１６、１８    電力スイッチ
２０〜２３    スイッチ・モジュール
２６〜２９    チップ
３２、３３    ダイオード
３６〜３９    抵抗
５０    基板
５２    トラック
５４    コレクタ・ピン
６０    上側基板
６２、６４    トラック
６６、６８    ゲート・ピン
７０    金属層
８０    変換器
８２    電流／電圧測定ユニット
９０〜９５    変換器
１００    トラック
１０４、１０５    ランド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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